📘 Wiki Enkodera
Enkodery magnetyczne
Enkoder magnetyczny wykorzystuje magnes wielobiegunowy i czujnik magnetyczny do przekształcania ruchu obrotowego lub liniowego w sygnał elektryczny. Cechuje go odporność na olej/pył/wibracje, szeroki zakres temperatur pracy oraz duże tolerancje montażowe, dzięki czemu jest powszechnie stosowany jako przetwornik sprzężenia zwrotnego położenia w automatyce przemysłowej, motoryzacji i sprzęcie ciężkim, robotyce oraz urządzeniach zewnętrznych.
Czym jest enkoder magnetyczny (What is a Magnetic Encoder)
Enkoder magnetyczny to system czujnikowy mierzący położenie i prędkość na podstawie okresowych zmian pola magnetycznego. Typowa konstrukcja składa się z magnesu (pierścień/pas magnetyczny wielobiegunowy lub magnes namagnesowany radialnie/osiowo) oraz głowicy odczytowej (readhead) zawierającej układ czujnika magnetycznego i tor kondycjonowania sygnału. W zdefiniowanej szczelinie powietrznej (air gap) głowica odbiera dwie składowe zbliżone do sin/cos zmieniające się wraz z przemieszczeniem; po przejściu przez analogowy front-end (AFE) i interpolację/dekodowanie układ generuje sygnały inkrementalne A/B/Z, sinus/kosinus 1 Vpp (lub prądowe 11 µApp) bądź pozycję absolutną (np. SSI/BiSS/SPI/EnDat).
W porównaniu z enkoderami optycznymi, enkodery magnetyczne oferują lepszą odporność środowiskową, dłuższą żywotność i niższy koszt; przy ekstremalnych wymaganiach co do rozdzielczości, liniowości i błędu podziału (SDE) zwykle ustępują jednak rozwiązaniom optycznym klasy high-end.
Zasada działania (Working Principle)
1) Technologie czujników magnetycznych
- Hall: niski koszt, rozwiązanie dojrzałe i niezawodne; średnia dokładność pozycji/kąta; wymaga kompensacji dryftu temperaturowego.
- AMR (Anisotropic Magnetoresistance): wyższa czułość niż Hall, lepsza odporność na szum.
- GMR/TMR (Giant/Tunneling Magnetoresistance): najwyższa czułość, niski szum; umożliwia bardzo wysoką rozdzielczość i małą szczelinę powietrzną; TMR ma niższy dryft temperaturowy kosztem wyższej ceny.
- Detekcja różnicowa: kanały w fazie/przeciwnofazie kompensują zewnętrzne pola obce i wspólnomodowy dryft temperaturowy, zwiększając odporność na zakłócenia.
2) Formowanie sygnału i obliczanie kąta
- Magnes namagnesowany naprzemiennie N/S wzdłuż obwodu lub odcinka liniowego tworzy pole okresowe; głowica pozyskuje dwie ścieżki zbliżone do sin/cos. Kąt można wyznaczyć wg:
theta = atan2(V_sin, V_cos) - Interpolacja cyfrowa lub PLL (phase-locked loop) do uszczegółowienia kąta/przemieszczenia; wersje absolutne dostarczają unikalny kod poprzez jedno-/wieloobrotowe kodowanie, zliczanie redundantne lub ramki protokołu.
3) Zależność prędkości i częstotliwości (wzory tekstowe)
- Obrót:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Ruch liniowy:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
gdzie RPM – prędkość obrotowa [obr/min], pole_pairs – liczba par biegunów, edges_per_cycle – liczba efektywnych zboczy na okres elektryczny; v – prędkość liniowa, p – podziałka biegunowa pasa magnetycznego.
Klasyfikacja (Classification)
- Według ruchu: enkodery obrotowe (pierścień/magnes radialny/osiowy; on-axis/off-axis) / enkodery liniowe (pasy/kratki magnetyczne).
- Według wyjścia: inkrementalne (A/B/Z; TTL/HTL/RS422; sin/cos 1 Vpp, 11 µApp) / absolutne (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat; z bramką do CANopen/EtherCAT itd.).
- Według magnesu: pierścień wielobiegunowy (montaż na średnicy wewn./zewn., stała podziałka), magnes namagnesowany radialnie/osiowo (mało par biegunów, małe gabaryty), elastyczny pas magnetyczny (długi skok, łatwy montaż).
- Według układu czujnika: jednoukładowy czujnik kąta (zintegrowane AFE + CORDIC/SIN/COS) / rozwiązanie dyskretne (AFE + ADC + MCU/FPGA do interpolacji i kodowania).
Wyjścia i interfejsy (Outputs & Interfaces)
| Kategoria | Rodzaj sygnału | Zastosowania typowe |
|---|---|---|
| Fale prostokątne (inkrementalne) | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Szybkie liczniki PLC, pętle prędkości/pozycji |
| Sinus/Kosinus | 1 Vpp, 11 µApp | Wysoka interpolacja, niskie SDE |
| Szeregowe absolutne | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Pozycja absolutna, zliczanie wieloobrotowe, diagnostyka |
| Magistrale/Ethernet przemysłowy | CANopen, EtherCAT, PROFINET (przez moduł interfejsu) | Synchronizacja wieloosiowa, duże odległości, diagnostyka on-line |
Kluczowe parametry (Key Specifications)
| Wskaźnik | Zakres typowy / Objaśnienie |
|---|---|
| Rozdzielczość | Obrotowe: 12–18 bit (Hall/AMR), 18–20+ bit (GMR/TMR z interpolacją); Liniowe: podziałka skali 5–50 µm, interpolacja do 1–5 µm; najlepsze konstrukcje osiągają submikron |
| Dokładność kątowa | Absolutne obrotowe: ±0,05° ~ ±0,5° (zależna od magnesu i ekscentryczności) |
| Powtarzalność/Jitter | Powtarzalność lepsza niż ±0,05°; jitter zależny od SNR i zegara interpolacji |
| SDE (Sub-Division Error) | Zwykle lepszy niż ±0,1° (high-end ≤ ±0,03°); dla wersji liniowych w µm |
| Szczelina powietrzna | 0,5–2,5 mm (zależnie od energii magnesu i matrycy czujników) |
| Podziałka/pary biegunów | Pierścienie: typ. 2–64 par; pasy: podziałka 2–5 mm |
| Prędkość maks. | Obrót > 10 000 RPM; liniowo > 3 m/s (w zależności od interfejsu) |
| Zakres temperatur | −40 °C ~ +125/150 °C (klasa automotive); wymagana kompensacja termiczna |
| Odporność na zanieczyszczenia | IP50–IP67; odporność na mgłę olejową, pył i chłodziwa |
| EMC/ESD | Spełnia wymagania przemysłowe/automotive; kluczowe są topologie różnicowe i ekranowanie |
Uwaga: Rzeczywiste osiągi zależą łącznie od materiału i jakości namagnesowania magnesu, ekscentryczności/pochylenia, szczeliny, ekranowania oraz algorytmów kompensacji.
Magnes i mechanika (Magnet & Mechanics)
- Dobór materiału: NdFeB (wysoki iloczyn energii, podatny na rozmagnesowanie — wymaga kontroli termicznej), SmCo (stabilny w wysokiej temp., wyższy koszt), ferryt (niski koszt, większa objętość).
- Sposób magnesowania: radialne/osiowe lub wielobiegunowe pierścieniowe; jednorodność podziałki biegunowej bezpośrednio wpływa na liniowość i harmoniczne.
- Błędy geometryczne: bicie/ekscentryczność (runout) generuje błąd kątowy harmoniczny 1./2. rzędu; pochylenie/bicie osiowe powoduje nierównowagę amplitudy/fazy i zniekształcenia.
- Tolerancja szczeliny: zbyt duża → spadek amplitudy i SNR; zbyt mała → ryzyko tarcia i niedopasowanie termiczne.
- Odporność na pola obce: struktury różnicowe, koncentratory strumienia lub pierścienie ekranujące; dystans od harmonicznych zębów stojana; oceniaj stray-field immunity w razie potrzeby.
Źródła błędów i kompensacja (Error Sources & Compensation)
- Nierównowaga amplitudy/fazy, eliptyczność: redukcja SDE przez AGC, wyrównanie fazy oraz kompensację eliptyczności.
- Dryft temperaturowy: modelowanie współczynników temperaturowych czujników i remanencji magnesu; korekcja on-line z pomiaru temperatury.
- Ekscentryczność/błąd podziałki: liniaryzacja LUT w fabryce lub kalibracja in-situ (wielopunktowa/filarna kompensacja harmonicznych).
- Pola obce/EMI: prowadzenie różnicowe, transmisja RS422, ekranowanie i uziemienie w jednym punkcie; w razie potrzeby ekran z miękkiej stali.
- Zliczanie wieloobrotowe: podtrzymanie stanu przy zaniku zasilania przez energy harvesting/zębatki/FRAM/NVRAM z kontrolą spójności redundantnej.
Porównanie z innymi technologiami (Comparisons)
| Technologia | Rozdzielczość/dokładność | Odporność środowiskowa | Koszt | Typowe zastosowania |
|---|---|---|---|---|
| Enkoder magnetyczny | ★★★☆ (do 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | Przemysł/automotive, środowiska trudne, długa żywotność |
| Enkoder optyczny | ★★★★★ (poziom nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Obrabiarki precyzyjne, metrologia, półprzewodniki |
| Enkoder indukcyjny | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Wysoka temperatura/silne EMI, maszyny ciężkie |
| Resolver | ★★☆ (demodulacja analogowa) | ★★★★★ | ★★★ | Wysokie drgania/wysoka temp., sprzężenie silników |
| Potencjometr | ★ | ★★ | ★ | Niski koszt, krótka żywotność/niska dokładność |
Zastosowania (Applications)
- Automatyka przemysłowa: przenośniki i mechanizmy dużych obciążeń, systemy hybrydowe serwo/stepper, windy i urządzenia portowe.
- Motoryzacja/transport: komutacja i pozycjonowanie silników, układy kierownicze i pedały, pozycja podwozia i foteli (ISO 26262).
- Robotyka i coboty: kąt przegubu, enkodery kół AGV/AMR, platformy mobilne outdoor.
- Energetyka odnawialna i sprzęt zewnętrzny: śledzenie słońca/wiatru, zawory i aktuatory, górnictwo i maszyny budowlane.
Wskazówki montażu i integracji (Installation & Integration)
- Centrowanie/współosiowość: w wersjach obrotowych stosuj kołnierze ustalające/przyrządy; kontroluj bicie promieniowe i czołowe; w liniowych zapewnij prostoliniowość pasa i stabilność nośnika.
- Ustawienie szczeliny: zgodnie z kartą katalogową z marginesem dla całego zakresu temperatur; weryfikuj zapas amplitudy przy minimalnym SNR i maksymalnej prędkości.
- Okablowanie i terminacja: preferuj RS422 różnicowe lub interfejs prądowy; dopasuj impedancję, zastosuj ekranowanie i uziemienie w jednym punkcie, unikaj pętli.
- Parametry protokołu: długość ramki, CRC, czasy i bity alarmowe w SSI/BiSS/SPI/EnDat muszą odpowiadać sterownikowi.
- Redundancja i bezpieczeństwo: dla osi krytycznych używaj podwójnych kanałów/czujników oraz monitorowania spójności (SIL/PL lub ASIL).
Normy i zgodność (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (stopnie IP) / IEC 60068-2 (wibracje/udary/temperatura/ wilgotność)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (odporność/emisja EMC przemysłowa), ISO 7637 (stany przejściowe w pojazdach)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (bezpieczeństwo funkcjonalne dla maszyn/napędów/automotive)
- AEC-Q100/Q200 (niezawodność klasy automotive dla układów czujników/elementów pasywnych)
Zakres wymaganej zgodności należy dostosować do branży i wymagań projektu.
Przewodnik doboru (Selection Guide)
- Docelowa dokładność: dokładność/liniowość kątowa, rozdzielczość, SDE i jitter.
- Technologia czujnika: Hall (priorytet kosztu) / AMR / GMR / TMR (priorytet rozdzielczości i stabilności temperaturowej).
- Układ magnesu: pierścień/pas/magnes pojedynczy; podziałka i wymiary, materiał i klasa temperaturowa.
- Interfejs wyjściowy: inkrementalny/sin-cos lub SSI/BiSS/SPI/EnDat; potrzeba bramki magistrali i diagnostyki on-line.
- Środowisko i żywotność: stopień IP, olej/pył/chłodziwo, odporność na pola obce; dla automotive/outdoor — wymagania trwałości klasy automotive.
- Mechanika i szczelina: dopuszczalne błędy niewspółosiowości, okno szczeliny, limit prędkości; oprzyrządowanie montażowe i spójność seryjna.
- Kompensacja i kalibracja: wsparcie kompensacji temperaturowej/harmonicznych/liniaryzacji LUT; strategia fabryczna lub in-situ.
- Bezpieczeństwo i redundancja: poziom bezpieczeństwa funkcjonalnego, fail-safe i interfejsy monitorowania usterek.
Słownik pojęć (Glossary)
- Podziałka/pary biegunów (pole pitch/pairs): długość jednego cyklu N–S / liczba par biegunów.
- SDE (Sub-Division Error): błąd podziału; resztkowy błąd okresowy po interpolacji.
- Stray-field immunity: odporność na zewnętrzne/parazytowe pola magnetyczne.
- CTE: współczynnik rozszerzalności cieplnej; wpływa na dopasowanie termiczne magnesu i elementów mechanicznych.
Podsumowanie: Znajomość zasad detekcji magnetycznej, doboru magnesu i konstrukcji mechanicznej, interfejsów oraz strategii kompensacji — połączona z wymaganą dokładnością i warunkami pracy — pozwala zbudować sprzężenie zwrotne położenia niezawodne, długowieczne i diagnozowalne, nawet w środowiskach trudnych.